基于STM32的高效光伏能量轉換系統設計

摘 要： 設計一種用于海島上微傳感器設備供電的光伏系統，以STM32作為主控制器，設計雙軸跟蹤平臺實現太陽跟蹤，研究了新的光照傳感器布置方案；增加角度傳感器SCA100T?D02測量太陽能板的方位角與高度角，控制器將其與GPS 模塊對比進行位置輔助校準，形成閉環控制。主控制器根據MPPT算法采用PWM控制方式對鋰電池充電。實驗結果表明，該系統能夠精準實現太陽跟蹤，大幅度提高光伏轉化效率，擁有廣闊的應用價值與前景。

關鍵詞： STM32； BH1750FVI； GPS； 傳感節點； 雙軸跟蹤

中圖分類號： TN344?34； TK51 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）19?0128?03

Abstract：A photovoltaic system used for microsensor equipment power supplying on the island was designed， which takes STM32 as the main controller. The dual?axis tracking platform was designed to realize the sun tracking. The new placement scheme of light sensor is studied， in which the angle sensor SCA100T?D02 is added to measure the azimuth angle and elevating angle of the solar panel. The angle sensor is compared with GPS module by the controller to perform the location auxiliary calibration and form the close?loop control. The main controller based on MPPT algorithm uses PWM control method for lithium battery charging. The experimental results show that the system can track the sun accurately， improve the efficiency of photovoltaic conversion greatly， and has broad application value and prospect.

Keywords： STM32； BH1750FVI； GPS； sensor node； dual?axis tracking

隨著海島開發范圍的不斷加大，海島的生態環境問題日益突出。目前多采取放置無線傳感節點監測環境信息。然而傳感節點多數采用干電池作電源，造成電源供應不穩定，影響設備運行，且容易對環境造成污染。本文用光照傳感器設計跟蹤探頭，達到光伏電池以最大功率輸出的目的，同時采用PWM控制鋰電池充電，以此提高光伏轉化率，從而滿足傳感節點的用電量[1?3]。這種設計使海島上的傳感節點設備具有穩定的電力來源，具有較高的應用價值。

1 硬件設計方案

1.1 總體設計方案

系統采用STM32F103C單片機作主控制器，它具有高精度、低成本、低功耗的優點，適用于本系統設計[4]。由3個光照度傳感器BH1750FVI制成跟蹤探頭，對太陽實現粗跟蹤，利用STM32的串口實現與GPS模塊的通信，得到當地的經度、緯度、時間等地理信息，與角度傳感器SCA100T?D02測得的太陽能板角度一起構成閉環反饋信息，使太陽能板精確跟蹤太陽。同時，主控制器以PWM驅動控制鋰電池充電。LCD12864實時顯示角度、光照等信息。系統設計框圖如圖1所示。

1.2 光照傳感器模塊設計

數字型光照傳感器BH1750FVI具有優良的光譜響應特性，功耗低，內置16位A/D轉換器，工作溫度為-40～85 ℃，適用于惡劣的工作環境。STM32通過I2C接口向BH1750FVI發送控制指令，設置工作模式。

與傳統的上下左右四個傳感器設計布置相比，本文改進了光照傳感器探頭設計，采用3個BH1750FVI，其位置呈字母“L”分布。如圖2所示。選定太陽自左向右運動，在太陽斜射探頭平面時，1號傳感器與2號傳感器之間會存在光照差值，STM32此時判斷差值是否大于預設值，若大于則驅動水平電機朝光照強的方向運動， 從而調整太陽能板的方位角。而后在垂直方向上判斷2號傳感器與3號傳感器的光照值來調整太陽能板的高度角。這樣先水平方向后垂直方向的調整，實現跟蹤太陽的目標。光照傳感器位置布置如圖2所示。

1.3 角度傳感器設計

本系統需要測量太陽能板的方位角與高度角，故選用雙軸傾角傳感器SCA100T?D02。該角度傳感器能同時測量[x，y]方向的傾角，其檢測范圍為±90°。完全符合太陽能跟蹤裝置的要求[5]。

1.4 鋰池能量管理系統

鋰電池充電電路（見圖4）采用Buck DC/DC降壓變換電路。MOSFET管Q3、電感[L1]和續流二極管D1等構成BUCK電路，[R2，R8]與[C5]構成的電阻分壓電路對電池充電電壓采樣，[C4]與[R5]構成的電流采樣回路經LM358信號放大后送入STM32的PA7口進行A/D轉換。

微控制器根據當前光照的狀況和電池狀態，選擇最高效的充電方式。當晴天時，STM32的ADC對充電電流、電壓進行第一次采樣，根據主控制器計算的PWM占空比信號對鋰離子電池充電過程進行控制，實現光電轉換最大化[6?7]。

1.5 跟蹤云臺的閉環控制

光伏跟蹤采用以光照傳感器控制為主，GPS信息、實時角度反饋為輔的控制方式。STM32讀取3個BH1750FVI的值。STM32通過串口TX，RX讀取GPS模塊的緯度、經度和時間等地理信息。角度傳感器測得的高度角、方位角與STM32根據GPS信息計算的高度角、方位角對比，實現閉環控制，為防避免雙軸電機在最大功率點附近頻繁動作，對兩個BH1750數據預設差值，當兩個BH1750光照差值大于預設值之后，STM32驅動對應方向的電機動作，直至兩組BH1750光照差值在預設值之內[8]。系統跟蹤模塊的模塊框圖如圖5所示。

1.6 BH1750量程擴大措施

BH1750FVI內部寄存器為16位，光照量程為1～65 536 lx。而夏季時太陽光線一般為60 000～100 000 lx（以南京為例），為此采取在BH1750FVI上覆蓋遮光板的方法來改變BH1750的透光率，此時讀取值=實際值×透光率。比如將透光率設置為50%，同時在BH1750上面放置透光率為50%的遮蓋物，那么BH1750可以檢測到的光強可以擴大一倍。同時在兩個BH1750之間設置黑色的擋光板，當光線非垂直照射時，其中一個光照傳感器就處于陰影中，這樣可以使兩個BH1750FVI的閾值判斷更加靈敏，減少電機的誤動作，從而使系統跟蹤更加穩定可靠[9]。

2 系統軟件設計

上電后系統各模塊處于初始化工作狀態。晴天時，STM32會判別3個BH1750FVI光照數據差值是否大于預設值[ΔQ，]如果超過預設值，對云臺的位置進行調節，當本次調整結束后，主控制器根據角度傳感器的測量值與角度測量值、GPS信息進行比對調整，減少光照傳感器跟蹤時的機械誤差，流程圖如圖6所示。

3 實驗結果

測試時間為2015年9月10日。南京天氣情況：晴朗，溫度為19～28 ℃，濕度36%。本實驗從8：00開始到17：00結束，每一小時記錄一次，用Matlab分別對高度角和方位角數據進行分析，如圖7，圖8所示。

從數據分析圖可以看出，高度角與方位角誤差控制均在理論值上下浮動，且誤差范圍控制在3°范圍內。這是由于光照傳感器之間存在光照差值的設定，由此可以避免過于頻繁的驅動電機，節省電能消耗。

已知太陽能電池板最大工作電壓為17.28 V，最大工作電流為0.98 A，開路電壓為21.24 V，最大輸出功率約為16.9 W，實驗中固定式太陽能板的設置為高度角45°，方位角為90°，面向正南方。功率輸出對比結果如表1所示。光伏跟蹤使得太陽能電池板的輸出功率整體上有35%左右的提高，且在12：00—14：00左右達到最大功率點輸出狀態。

4 結 語

本文設計了一種適用于海島環境傳感節點的智能光伏能量轉換系統。STM32接收BH1750FVI的光照數據進行逐日跟蹤，并通過SCA100T角度測量、GPS地理信息進行閉環輔助校準，實現太陽位置的全天候跟蹤，保證了跟蹤精度。并設計了鋰電池的能量管理系統，以PWM信號調整太陽能電池對鋰電池的充電方式，使得太陽能電池工作在最大功率輸出狀態，由此大幅度提高了光電轉換效率。本系統還可應用在農業種植，物聯網等其他領域。

參考文獻

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